【正文】 材料表面。等離子體表面改性技術協(xié)助提供一個更好的靈活性和能夠縫紉理想的表面性質(zhì)的化學與結(jié)構無關的體積性質(zhì)。它具有其他優(yōu)點，如：在滲氮后沒有或有非常薄的白層，在這工序后不涉及加工或研磨，參與的過程，這非常有利于復雜的部件。表面硬化層基和基體材料成為不可分割的整體而且基體材料的性能沒有顯著降低。它還被提供修改沒有空間的變化和變形表面的組成部分。離子氮化有利于控制化學濃度和均勻度。馬氏體時效鋼屬于一種新類型的強度和韌性相結(jié)合的高強度鋼，它在普通工程合金中被廣泛使用。馬氏體時效鋼這個詞來自馬氏體時效硬化，并表示低碳時效硬化，鐵鎳板條馬氏體基體。這些鋼材通常具有非常高的鎳，鈷，鉬和極低的碳含量。它們大概在480℃通過析出晶間化合物而強化。碳被視為雜質(zhì)和保持在低于商業(yè)上可行的（％）的含量，目的是減少TiC的形成，它影響強度、延性和韌性。設計不同的馬氏體時效鋼旨在提供從1030到2420 MPa，特定層次的屈服強度。馬氏體時效鋼（250級），擁有250 ksi的屈服強度。對于要求強度高，耐磨性好的航空部件，例如，板式軌道，馬氏體時效鋼具有高強度，且可以通過離子滲氮氮化過程獲得良好的耐磨性。在傳統(tǒng)的氣體氮化過程中的氮化溫度為500℃550℃，這高于馬氏體時效鋼的時效溫度，并會導致心部老化。然而，離子滲氮可以在低于時效溫度的溫度下進行。Ozbaysal和Inal已經(jīng)證明，在不降低核心硬度的情況下采用離子滲氮強化表面是可以的。目前調(diào)查表明，滲氮后的馬氏體時效鋼（250級）分別在435℃、450℃、465℃下持續(xù)10小時。借助于光學顯微鏡，掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線衍射（XRD）觀察微觀結(jié)構的變化。評估各種性能，如硬度，滲碳層深度，拉伸性能，沖擊強度，低周疲勞（LCF）和耐腐蝕性。借助于所觀察的微觀結(jié)構，解釋這些特性。實驗過程為指定的化學成分，馬氏體時效鋼（250級），并從發(fā)射光譜獲得的材料的實際化學分析表1所示?？梢钥闯觯瑢儆诓牧系幕瘜W成分組成范圍內(nèi)對指定的馬氏體時效鋼（250級）。表一、合金的化學成分 (wt.%)ElementSpecifiedObtainedC max.Mn max.Si max.S max.P max.Ni–Mo–Co–Ti–Al–Zr max.B max.FeBalanceBalance圖1顯示了一個簡單的示意圖，離子氮化安裝用于離子氮化的材料。?2下,壓力足夠低的背景水平的氧是在可接受范圍內(nèi)(小于50 ppm),然后裝滿低壓的混合的氫和氮氣體。使用輔助交流熱水器的陰極加熱到250℃是可取的，以盡量減少循環(huán)時間。它也可以幫助提供更好的部分溫度均勻離子滲氮處理。使用直流電源放電點燃，壓力和溫度提高到所需的操作控制氣體的流量和壓力值，外加電壓和電流。放電可以通過控制面板進行監(jiān)測，并通過檢查窗口觀看。這項工作是陰極和陽極船只，爐接地，涼爽接觸，和安靜地操作。從材料準備（250級）馬氏體時效鋼試樣固溶和480℃時年齡為3小時。這些中年的標本，在氮化爐真空狀態(tài)下的離子滲氮。等離子體是通過傳遞在進入燃燒室比為3:1的氣體和氣體混合物的H2和N25毫巴。離子滲氮的壓力保持在435℃，450℃和465℃下進行10小時。圖2顯示的是離子滲氮前的圖片和在465℃進行離子滲氮后的圖片。離子滲氮后樣本受制于打磨（拋光布），以消除形成的白層。 圖二，a圖是在465℃.進行離子滲氮前的試樣照片，b圖是在465℃.離子滲氮后的照片。視圖高質(zhì)量的圖像（250K）用尼康光學顯微鏡和利奧掃描電鏡微對觀結(jié)構進行了檢查。飛利浦分析X射線衍射儀上進行了X射線衍射。用負載100克的維氏硬度計（Buelher Micromet 2100）測定硬度。對直徑4 mm和長度2 mm的圓柱試件進行拉伸試驗，使用2820年代TIRA通用測試儀器測量。使用FIE沖擊試驗機做沖擊試驗，U型缺口式樣的直徑分別為10 mm、10 mm、55 mm。使用應力應用范圍為177。1172兆帕，應力比為?1的Zwick Roell實驗儀器測試等幅疲勞性能，所采用的式樣為直徑4. mm和長度12 mm的光滑圓試樣。在每個樣品上選取5個不同的地方測試硬度，在同樣的環(huán)境下三次測定拉伸強度和沖擊，5次測定LCF然后得到平均值標準差。腐蝕試驗上有一個尺寸10 mm的標本，使用10 mm、18 mm、20 mm、10 mm的氮化樣品在鹽霧中和5％NaCl溶液中的離子滲氮樣品室停留144小時。結(jié)果與討論圖3圖4用光學和掃描電子顯微鏡得到的滲氮的和未滲氮的顯微照片。這些顯微圖說明氮化層和馬氏體硬化核心結(jié)構。因為在高溫下擴散加速，隨著滲氮溫度增加，滲氮層也增加。圖三、a圖是未離子滲氮的的光學顯微圖；b圖是在435℃離子滲氮的光學顯微圖；c圖是在450℃離子滲氮的光學顯微圖；d圖是465℃離子滲氮的光學顯微圖.視圖高質(zhì)量的圖像（2381K）圖四、a圖是未進行離子滲氮試樣的掃描電子顯微圖；b圖是在435℃離子滲氮試樣的掃描電子顯微圖；c圖是在450℃離子滲氮試樣的掃描電子顯微圖；d圖是在465℃離子滲氮試樣的掃描電子顯微圖。視圖高質(zhì)量的圖像(2252K)圖5是從滲氮的和未滲氮的試樣表面獲得的XRD圖譜。因為鐵未氮化試樣呈現(xiàn)出衍射峰，而因為Fe4N氮化式樣也呈現(xiàn)出額外峰。隨著離子氮化溫度的增加，鐵峰的強度逐漸降低, Fe4N峰的強度逐步增加。因此，通過離子滲氮在硬化層表面形成的的氮化物是Fe4N。在我們調(diào)查中離子滲氮所用的HN2的混合氣體的比例為3:1，這被稱為γ39。氣體和在Fe4N化合物層形成單相（稱為γ39。相）晶體結(jié)構。氮原子以一種有序的方式進入鐵的晶格間隙位置和形成Fe4N。圖五、a圖是未進行離子滲氮試樣的x射線衍射圖；b圖是在435℃離子滲氮的x射線衍射圖c圖是在450℃離子滲氮的x射線衍射圖；d圖是在465℃離子滲氮的x射線衍射圖。、硬度和滲碳層深度表2給出了未氮化和離子滲氮后試樣的硬度值。未氮化樣本的平均表面硬度為616 VHN。在三種不同溫度經(jīng)過離子滲氮后的試樣的平均表面硬度幾乎相同，但是比未氮化樣品高出約50％。表3列出了距離在三種不同溫度下離子滲氮后獲得的試樣的表面不同深度的硬度值。并在圖6中繪制。式樣的硬度值從表面到心部持續(xù)降低，表明在擴散區(qū)域析出了氮化鐵且與其他金屬形成于晶界或顆粒內(nèi)部。這些沉淀物的晶格扭曲和針狀晶體錯位，從而提高離子滲氮樣品的表面層的硬度。因為在高溫下擴散加速，滲碳層深度隨著離子滲氮的溫度增加而增加。實驗表明在三中不同溫度進行離子滲氮心部的硬度與為驚醒離子滲氮的式樣心部的硬度值相同。這證實了在所有三個離子氮化溫度過程中延長時間核心不軟化。表二、離子滲氮試樣和未離子滲氮試樣的表層硬度Beforeionnitriding616 VHN177。3AfterionnitridingAt 435℃906 VHN177。3At 450℃901 VHN177。2At 465℃907 VHN177。4表三、離子滲氮后的試樣不同滲層下的硬度值Distance from the edge (181。m)Hardness (VHN)Ionnitrided at435℃Ionnitrided at 450℃Ionnitrided at 465℃50749177。7810177。8822177。1075725177。4734177。4737177。5100689177。12690177。5714177。5125633177。8642177。5659177。5150626177。6631177。2636177。3175618177。2626177。4628177。7200618177。3618177。2620177。2225618177。2618177。2619177。2Core614177。3618177。2618177。2圖六、在435℃, 450℃ 和 465℃.離子滲氮后的試樣，隨著滲層的變化硬度值的變化情況。視圖高質(zhì)量的圖像(145K)、拉伸性能表4給出了在三中不同離子滲氮溫度下滲氮試樣和未滲氮試樣的拉伸性能。據(jù)觀察，與未氮化試樣相比，氮化試樣的極限抗拉強度（UTS）％屈服強度（％PS）和斷裂延伸率和斷面百分比縮減。滲氮后的試樣的極限抗拉強度和屈服強度越高，斷面延伸率和斷面百分比越低?？梢詺w因于氮化試樣的表面硬化層。表四、未離子滲氮試樣和離子滲氮試樣的拉伸、沖擊和LCF性能PropertyUnnitridedIonnitridedat 435CIonnitridedat 450CIonnitridedat 465176。CUTS (MPa)1697177。41740177。1051863177。151699177。14% PS (MPa)1616177。91711177。1201793177。321628177。16% El 177。 177。 177。 7177。0% RA177。177。 177。 35177。0Energy absorbed in impact test (Joules)177。177。 177。 14177。1No. of cycles to failure in LCF test4700177。111311017177。57489366177。35579675177。6811，％的屈服強度，如下：（1）在那里，σC ％的屈服強度σf ％的屈服強度（計算如下）σm ％的屈服強度（假設與未氮化試樣相同，即1616兆帕）AC 氮化試樣的截面積（ mm2)）Af 氮化層的截面積（ mm2）Am 未滲氮試樣心部的截面積（ mm2）從圖6觀察知，在三種不同的離子氮化溫度，距離試樣表面150181。m的心部材料的硬度和滲氮試樣的硬度很接近。通過計算多項式曲線下面積安裝了一個深度150181。m到150181。m與分解圖181。m平均氮化層硬度得到六離子氮化樣品在435℃,450℃和465℃。使用泰伯聯(lián)系，％的屈服強度。（2）σf=VHN/3.因此，在435℃，450℃和465℃離子氮化溫度分別獲得σf值2390，2449和2487兆帕。用Eq來表示σC。（1）在435℃，450℃和465℃離子氮化溫度下分別獲得σC為1728，1737和1742兆帕。因此，如表4所示，％屈服強度值與實驗獲得的在435℃下氮化式樣的性能密切匹配。隨著離子氮化溫度增加，％的屈服強度值應進一步加大。然而，在表4實驗結(jié)果顯示在435℃至450℃％的PS值增加，但是從450℃到465℃％的PS值降低。也許，更多的測試的數(shù)量必須毫不含糊地建立實驗值。然而，從應用的角度來看，重要的成果是，沒有犧牲的散裝材料的強度，表面硬度已大大增加。、沖擊性能表4所示為未氮化U型缺口試樣和離子氮化U型缺口試樣在沖擊試驗中吸收的能量。研究表明，在離子滲氮后吸收的能量降低和隨著離子氮化溫度的增加降低值也增加。離子滲氮給予整個試樣硬化層包括缺口面積。與未氮化試樣相比，這種表面硬化層使材質(zhì)較脆和減少吸收的能量。隨著離子氮化溫度的增加，吸收的能量降低可能歸因于隨著離子氮化溫度的增加滲碳層也增加。、低周疲勞性能表4所示的在LCF試驗中未滲氮試樣和離子滲氮試樣的循環(huán)數(shù)的性能測試失敗的數(shù)量。研究表明，有許多分散，通常遇到了疲勞的數(shù)據(jù)。和未滲氮離子試樣相比，研究表明離子滲氮試樣分散更多。然而，離子氮化試樣無疑表現(xiàn)出疲勞壽命的提高。在擴散區(qū)形成氮化物的沉淀物導致晶格膨脹。試圖保持原有的尺寸，核心材料在壓縮的情況下維持氮化表面。這種壓應力的大小本質(zhì)上降低實際拉應力在材料。、耐腐蝕圖7顯示了在鹽霧試驗中暴露144小時后的樣品照片。觀察到未滲氮的試樣均勻暴露48小時后開始腐蝕，離子滲氮48小時的試樣并沒發(fā)生腐蝕。因此，鹽霧試驗結(jié)果表明：經(jīng)過離子滲后試樣的耐腐蝕升高。報道知經(jīng)離子滲氮后在表層形成的Fe4N在腐蝕介質(zhì)中相對穩(wěn)定。整個表面形成的硬化層均勻，連續(xù)。這些因素有助于材料耐蝕性的改善。圖七、鹽霧實驗后的試樣圖片視圖高質(zhì)量的圖像(371K)結(jié)論在本次研究中，馬氏體時效鋼（250級）分別在435℃，450℃和465℃下進行離子氮化。從這次研究可以得出以下結(jié)論：（1）、離子氮化后芯材的微觀結(jié)構的未改變。（2）、在三種不同的離子氮化溫度下在表面硬化層形成的氮化物是Fe4N。（3）、離子滲氮大幅提高了馬氏體時效鋼（250級）的表面硬度。表面硬度幾乎不變，但滲碳層隨著離子氮化溫度的增加而增加，這歸因于在高溫下擴散加速。（4）、離子滲氮后拉伸強度，疲勞強度和耐腐蝕性也改善了。隨著氮化層變硬，拉伸強度也增大；由于在表面形成氮化層產(chǎn)生殘余壓應力，疲勞強度提高和抗腐蝕性能提高，這因為氮化層在腐蝕介質(zhì)中是相對穩(wěn)定的。（5）、按照％EI和％RA得到的延展性和在沖擊試驗中吸收的能量減少結(jié)果是離子滲氮后形成的氮化層硬而脆。（6）、與其他兩個離子氮化時間相同、溫度不同的實驗相比，在450℃離子滲氮10小時所獲得的性能是最佳的。